动态网络

当你控制地毯织机或其他复杂的定时机器的运动时，不是任何一种电动机的安排都可以。如果这样的机器要保持足够高的同步速度以在当今的市场上具有竞争力，那么像现代数字现场总线上提供的快速反馈回路是至关重要的。

位于乔治亚州卡尔霍恩的莫霍克工业公司。，可以证明这一事实。地毯和其他地板产品的生产商最近才认识到数字现场总线是多么有用。该公司位于南卡罗来纳州兰德鲁姆(Landrum)的地毯厂的八台老式凸轮驱动机械织机上安装了一些机器

自动织布机上的织造动作需要紧密同步的轴，因此一个轴可以沿着一个战略轮廓紧跟另一个轴。如果它们的路径偏离了一点点，这个机制就会卡住，甚至断裂。由于过去的机械机器依赖凸轮来实现这种同步，莫霍克必须对磨损保持警惕，并经常更换这些精密加工的部件。

为了消除这种维护和相关的停机时间，工程人员开始了一个项目，用伺服电机取代凸轮，从最麻烦的轴开始。计划是在采摘了容易摘到的果实后，再处理剩下的、不那么麻烦的斧头。到目前为止，第一阶段的收获工作已经完成了四分之三，六台织机已经进行了改造。

起初，工程师们试图将伺服驱动器与安装在控制器背板上的运动控制模块同步。这种策略的问题是驱动器和控制器之间的通信是通过模块进行的。莫霍克项目工程师之一杰夫·欧文斯解释说:“通信过程中的额外步骤减慢了循环更新的速度。”结果是，第一批改装后的机器上的坐标轴无法相互跟上。

Owens用安川电气美国公司的MP2300伺服控制器和mechatolink运动现场总线网络解决了这个问题。控制器中的凸轮程序生成先前由凸轮创建的轨迹轮廓，并通过系统级同步的确定性通信网络将其发送给伺服电机，而不是在本地生成和执行。欧文斯说:“控制器不是一次向一个驱动器发送信息，而是一次将所有信息发送出去，然后发送一个脉冲，使轴同步。”

这种策略使原来的6到7毫秒(msec)循环更新时间缩短到只有0.5毫秒，从而解决了同步问题并消除了相关的停机时间。欧文斯说:“它使机器的效率提高了一倍。”此外，它使操作员能够从控制器的人机界面(HMI)实时调整操作速度和其他参数，而无需独立调整每个动作。

Mechatrolink现场总线的另一个优点是，它是一个开放的网络，可以容纳许多设备，包括逆变器，混合电机和各种输入/输出(I/O)设备。因此，增加和更换驱动器相对容易且便宜。由于现场总线可容纳多达16个轴，因此在改造的第二阶段对其余轴进行改造的唯一成本将是驱动器本身的成本。

在第一个改造策略中，模块只能接受两个伺服驱动器。因此，在每台织机上，除了传动装置外，每一对传动装置还需要另一个模块。

欧文斯补充说:“如果驱动器出现故障，技术人员将能够更换驱动器并通过人机界面对其进行编程。从个人电脑(PC)下载程序不需要特殊技能。“这样我就不用在半夜接电话了。”然而，这一功能尚未使用，因为自一年半前对第一台机器进行改造以来，没有一个驱动器出现故障。

mechatolink当然不是唯一一个对运动控制来说足够快的开放式数字现场总线。例如，数控机床制造商倾向于采用另一种称为SERCOS(串行实时通信系统)的技术。位于明尼苏达州Burnsville的控制和自动化供应商倍福自动化有限责任公司的I/O系统产品经理Skip Hansen说:“由于使用光纤电缆，该现场总线以其在运动控制和电气噪声抗抗性领域的优势而闻名。”

他以科罗拉多州柯林斯堡的CBW自动化公司为例，该公司是一家为塑料注射成型行业设计、建造、安装高速机器人和下游自动化的公司。该公司在倍福工业pc中使用双通道SERCOS PCI (Peripheral Component Interconnect)卡，在伺服控制器和总线输入/输出终端之间传递数据。对于I/O，总线耦合器连接八通道数字输入终端和八通道数字输出终端。

开放的网络

基于sercos的现场总线的好处可分为几个基本类别。首先是通信速度。CBW的客户现在可以在2毫秒内扫描节目，而不是以前的27-35毫秒。数据传输速度也提高了。CBW Automation的史蒂夫•考文(Steve Corwine)表示:“变速器每改变0.1秒，我们的客户就会损失数千美元。”“它在一天的过程中累积起来。”他指出，在5.4秒而不是5.5秒的周期内，对于一个每周期能生产64个零件的过程来说，这意味着在24小时内可以多生产18,500个零件。

SERCOS现场总线的第二个基本优点是消除了设备之间的硬接线。建筑商不仅节省了相关材料的费用，而且还节省了组装和安装初期的劳动力。由于Sercos光纤现场总线和倍福的分布式I/O终端，“我们在系统制造过程中节省了30%的劳动力，在启动过程中节省了50%的劳动力。”
Corwine说。

另一个用于运动控制的开放式数字现场总线是profibus——一个拥有1400多个成员公司的用户组的网络。与Mechatrolink一样，它简化了自动化项目。自动化供应商西门子能源与自动化公司的网络专家Jeremy Bryant解释说:“它支持运动控制、标准I/ o和安全I/ o的要求。”“你可以用一根电缆连接所有东西。”

只有一个网络来设计和维护可以节省大量的时间和金钱。只考虑安全网络。“在过去，你必须购买安全继电器、挡块和触点，”布莱恩特说。“现在，它在一个标准的I/O机架中，机架上只有一个安全模块。”

戴姆勒-克莱斯勒(daimler - chrysler Corp.)在奥地利格拉茨(Graz)的欧洲之星(Eurostar)工厂升级车身车间时，能够分阶段安装网络也同样重要。与美国的同行不同，这家工厂生产各种各样的车型，每一款的产量都比北美低得多。该生产线必须继续生产当前型号和各种预生产车辆。因此，在安装过程中，各种新旧技术必须相互配合。

对于逐步重组至关重要的是围绕带有两个Profibus接口的西门子Simatic S7-400主控制器构建的分布式架构。通过第一个接口，Profibus-DP将控制器连接到分布式I/O设备，用于滚筒输送机的Micromaster变频器，以及用于各种升降和旋转机构的master驱动器。白车身、最终装配和其他有多个控制器的区域使用DP/DP耦合器来允许DP网络交换数据。

主控制器的第二个接口将其连接到一个单独的Profibus网络，该网络创建了一个与操作员控制和监视终端的链接。这个冗余可视化系统允许车身车间任何区域的工人访问其他区域的相关数据。

以太网无处不在

许多供应商将他们的现场总线建立在以太网上，这可能是当今使用最普遍的计算机网络。然而，使用这种方法进行运动控制的问题在于速度不够快。供应商通常需要修改网络以获得必要的性能。

SynqNet就是一个例子，它是由加州圣巴巴拉市的运动工程公司(motion Engineering Inc.，简称MEI)开发的全数字运动控制网络。这种高速运动网络基于以太网的物理层，但它也使用MEI的数据层和时间戳来简化通信，并以确定的方式将数据传递给其上的驱动器。这些同步通信消除了原始标准定义的等时通信中可能出现的大部分抖动。

这种设计提供的精度和速度对位于加州弗里蒙特的半导体行业设备制造商阿斯特科技公司(Asyst Technologies Inc.)至关重要。其客户产品的高价值使其制造过程中任何低效率和错误的影响成倍增加。因此，如果他们的新组合设备前端模块(EFEM)和晶圆分选机要比以前的型号更快、更高效，但只占用一半的空间，那么Asyst的工程师将需要一个数字运动现场总线。

这种创新的设计需要一个运动控制器，能够执行机器人的编程路径，并与视觉系统、I/O和其他反馈设备可靠地交互。工程师指定了一个基于xmp -SynqNet- pci的控制器来协调轴和自定义的双轴SynqNet伺服驱动器Kollmorgen位于伊利诺伊州伍德戴尔的丹纳赫运动公司Servotronix集团。

除了提供高速、同步的伺服更新速率外，该网络还使他们能够进行基于pc的集中控制，执行客户端启用的运动，下载固件配置并执行远程诊断。它还允许工程师使用丹纳赫的复杂的编程，调整和测试软件。“我可以同时激发任何一个轴或两个轴，并观察系统的频率响应，”Asyst控制技术高级总监迈克•克拉拉克(Mike Krolak)说。

过去的礼仪协议

位于密尔沃基的供应商罗克韦尔自动化公司的运动控制产品经理Matheus Bulho表示，以太网的发展已经使其适合于运动控制，而无需像过去那样需要专有协议。这意味着用户应该能够用现成的技术简化他们的网络架构，而不是为运动控制、传感器和企业通信部署不同的网络。

其中一个有利的发展是对通过网络发送的包进行优先级排序的机制。另一种是交换技术，它管理流量，允许以真正的双工方式同时发送和接收数据。旧的以太网双工技术可以发送或接收数据。最后一个发展是由电气和电子工程师协会颁布的IEEE 1588标准定义的同步时钟。“它允许我们在200纳秒内同步网络上的节点，”Bulho报告说。

罗克韦尔的以太网/IP现场总线对W&H系统公司具有战略意义，W&H系统公司是新泽西州卡尔施泰德的一家为零售商和分销网点提供商品分拣机和其他处理设备的供应商。W&H系统公司高级控制工程师Kevin Kiefer表示:“当罗克韦尔宣布其基于以太网的I/O控制介质时，我们就开始考虑用它来取代Profibus技术。

这家搬运设备制造商一直在发展壮大，并吸引了更大的客户，这些客户需要更大的、带有数百条车道的基于传送带的系统。基弗解释说:“随着我们的分选器变得越来越大，使我们的Profibus网络足够快地识别设备状态的变化变得越来越困难。”

工程人员最初在该公司的可靠分拣单元(RSU)的小型版本上测试了新的现场总线。然而，真正的考验是，当一家大型邮购公司需要一台基于rsu的分拣机时，它的内存和功能都比W&H之前制造的任何分拣机都要大。根据基弗的说法，建造者不会尝试使用Profibus技术，因为程序大小和物理网络介质会使设备更新时间太慢，无法正确跟踪和分类商品。

分拣机的封闭式轨道输送机必须在330个分流槽中运行615个倾斜的运输托盘。扫描仪将读取托盘中产品的条形码，因此适当的分流器可以将它们引导到持有箱中等待交付。基弗说:“新的自动化系统需要能够在整个过程中以比以前的系统快50%的速度跟踪材料。”然而，它必须能容纳在同样的6400平方英尺的空间里，并让房子的维修人员能够方便地接触到机械部件。

基于以太网的现场总线完成了这项工作，通信速度比旧网络快10倍。新的分拣机不仅每分钟可以处理120件，而且其更简单的结构还将工程和编程成本降低了40%，安装时间减少了20%。“我们来的很早，”基弗说。这个网络只花了两周的时间就投入运行。

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